В открытом хранилище в тропическом Дарвине (Австралия) лежат десятки лотков с цилиндрическими образцами горных пород. Эти керны были извлечены из скважин, пробурённых на сотни метров вглубь компаниями по разведке полезных ископаемых несколько десятилетий назад. Часть образцов в Геологической службе Северной территории представляет собой аргиллит — осадочную породу, сформировавшуюся из затвердевшего морского ила. Компании, бурившие эти скважины, в основном не подозревали, что внутри аргиллитов скрыты окаменелости микроскопических организмов, погребённых на дне древнего внутреннего моря, которое более 1,5 миллиарда лет назад покрывало значительную часть северной Австралии.
Как показывает новое исследование, опубликованное в журнале Nature, эти окаменелости имеют ключевое значение для решения давней загадки о крупном эволюционном скачке, приведшем к появлению всей сложной жизни на Земле, — о происхождении эукариот. Всю жизнь на Земле можно разделить на два типа, принципиально различающихся на клеточном уровне. Прокариоты (бактерии и археи) имеют простое клеточное строение и в основном одноклеточны. Эукариоты — включая всех животных, растений, водорослей и грибов — устроены совершенно иначе: их клетки гораздо сложнее, в них есть ядро и другие специализированные структуры, например органеллы, выполняющие конкретные задачи.
Эукариотическая революция преобразила планету. Она привела к появлению животных и в конечном счёте к нам. На основе наблюдений за генами живых организмов сейчас широко признано, что последний общий предок всех ныне живущих эукариот возник в результате симбиотического объединения как минимум двух прокариотических микробов: археи и бактерии. Первые свидетельства эукариотической жизни представлены окаменелостями одноклеточных организмов. Они демонстрируют уровень клеточной сложности, не встречающийся у прокариот, но обычный для эукариот.
Окаменелости эукариот находят по всему миру в породах возрастом не менее 1,5 миллиарда лет. Окаменелости Северной территории, древнейшие из которых датируются 1,75 миллиарда лет назад, являются самыми старыми известными на сегодня эукариотическими окаменелостями в мире. Однако древний мир, в котором развивались ранние эукариоты, остаётся окутанным тайной, и многие основополагающие аспекты их природы неизвестны. Многие типы бактерий могут жить и расти в местах без кислорода, но почти все эукариоты, существующие сегодня, используют кислород для выживания. Это связано с тем, что аэробное дыхание — расщепление пищи с помощью кислорода — даёт огромные объёмы энергии, необходимые сложной жизни.
Однако представление о том, что кислород всегда был полезен для всех эукариот, в последние годы подверглось критике. Это произошло после неожиданных открытий загадочных эукариот, способных процветать в бескислородных условиях. Также накапливаются геологические свидетельства того, что в период становления эукариот кислорода, вероятно, было гораздо меньше. Это означает, что бескислородные морские местообитания были нормой. В совокупности эти наблюдения поставили под сомнение предположение, что эукариоты зависели от кислорода с самого своего возникновения.
Для нового исследования учёные измельчили образцы аргиллитовых кернов, хранящихся в Дарвине, а затем растворили их. Анализируя органический остаток под микроскопом, они идентифицировали более 12 000 окаменелостей. Изучение самих аргиллитов помогло понять, какой была окружающая среда в момент отложения осадков, а химический анализ позволил определить, присутствовал ли кислород в древней морской воде. Результаты показали, что окаменелости эукариот встречались в условиях от прибрежных илистых отмелей до открытого моря, но только в образцах, отложившихся в кислородсодержащей среде. В пробах из бескислородных условий были найдены лишь простые прокариотические формы. Это говорит о том, что даже самые древние известные эукариоты, жившие на Земле 1,7–1,4 миллиарда лет назад, зависели от кислорода. Данные подтверждают давнюю гипотезу о ключевой роли кислорода в эволюции ранних эукариот.